岩溶弱发育地层隧道衬砌水压规律及结构安全性研究

朱 君 赵东平 和 琦

(1. 中铁十一局集团有限公司,武汉 430061; 2. 西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

引言

岩溶是地层中的可溶岩被酸性液体溶蚀后形成的一种特殊地质构造,在我国四川、重庆、云南、贵州及广西均有分布。 根据岩溶形态、溶洞的连通性及地下水发育程度,可将岩溶发育情况定性地分为强烈发育、中等发育、弱发育和微弱发育4 种类型[1]。 一般情况下,岩溶裂隙越发育,地表雨水越容易经过裂隙通道流向衬砌,短时间导致内衬砌水压骤增,进而引发衬砌开裂或突涌水等灾害[2-4]。 在重庆独特的隔档式构造条件下,隧道工程施工过程中常常引发涌突水、地表水体流失、岩溶塌陷等地质灾害,大规模的地下空间工程建设日益加重地质环境的负担[5]。 对于岩溶隧道工程而言,地层岩溶发育程度、隧址区大气降雨时长及隧道的防排水措施都会对隧道衬砌结构的安全性产生不同程度的影响[6]。

近年来,随着运营岩溶隧道逐渐增多,但目前对岩溶隧道突水灾害的发生机理还不够清晰。 陈仲达为揭示管道型岩溶突水灾害的发生机理,开展不同溶腔水压、岩溶管道内不同填充介质、不同岩溶管道宽度及长度条件下的多场耦合分析[7]。 黄明利针对高压富水岩溶区衬砌结构开展抗水压能力足尺模型试验研究,验证新圆梁山隧道溶洞段和溶洞过渡段衬砌结构的抗水压能力满足要求[8];刘希亮分析了30 个发生过突水事故的隧道,发现突水灾害主要发生在深长大跨岩溶隧道中[9]。 部分学者采用数值方法对岩溶隧道防排水结构展开分析。 赵东平等采用数值模拟的方法对衬砌背后的水压规律进行研究,为富水隧道提出优化的防排水结构[10-11]。 在长期的工作条件下,即便是优化的防排水结构仍会引起防排水结构的破坏。 尚海松针对岩溶富水隧道水压变化引起结构失稳破坏问题,采用数值模拟方法研究 “全封堵”型衬砌结构的受力特征[12];历永杰对单层初期支护和双层初期支护方案分别进行数值模拟分析,提出适合现场施作的双层初期支护抗水压衬砌方案[13]。

上述既有研究成果在一定程度上促进了岩溶隧道的技术进步,但是,既有研究中没有将岩溶发育程度与隧道的防排水方案直接联系起来,如常规防排水措施是否能满足岩溶弱发育段衬砌安全性的研究,降雨量的增加是否会造成常规防排水结构失效等问题尚无明确结论。 以重庆市某岩溶弱发育高铁隧道为工程依托,采用三维数值模拟方法对弱发育地层岩溶隧道衬砌水压规律、常规隧道排水措施的适用性及衬砌结构安全性开展研究,相关研究成果可为弱发育地层隧道设计优化提供参考。

1 工程概况

某高铁岩溶隧道位于重庆市九龙坡区与大渡口区境内,隧道全长4 973 m,隧道进口里程DK9+129,出口里程DK14+102,隧道最大埋深约234 m。 隧道穿过雷口坡组、嘉陵江组及飞仙关组灰岩、白云岩、角砾状灰岩、泥灰岩,属构造溶蚀侵蚀低山-丘陵区,受构造挤压,裂隙较发育,岩溶强烈-中等发育,多见串珠状落水洞、溶洞、岩溶漏斗、溶蚀洼地,地表溶蚀现象多垂直发育,水平方向沿走向连通,最后形成地下暗河,由于距长江较近,一般在长江边以溶蚀通道(或暗河)排出,长江为侵蚀基准面。

该隧道为岩溶弱发育隧道,施工阶段隧道掌子面见图1,仅出现轻微渗水,未揭示溶腔或溶洞等典型岩溶构造。

图1 重庆市某岩溶弱发育隧道掌子面

考虑该区段地层岩溶弱发育,围岩条件较好且地下水不发育,为此,有必要研究隧道常规防排水设计方法在弱发育地层中的适用性。 目前,我国高速铁路隧道普遍采用通用设计参考图进行设计,一般地段隧道的防排水系统由无纺布、防水板、纵向及环向排水盲管、横向排水管、纵向排水侧及中心排水沟等共同组成[14-15]。 上述防排水构造设计参数及空间位置关系见图2、图3。

图2 防排水构造设计参数(单位:mm)

图3 防排水构造空间位置关系(单位:m)

为了分析常规隧道排水方案在岩溶弱发育地层中的适用性,需要对隧道排水状态下衬砌水压分布模式开展研究。 以上述隧道工程为依托,采用数值模拟方法研究不同初始水头条件下,岩溶弱发育隧道的衬砌水压分布规律,并对衬砌结构的安全性进行评价。

2 岩溶隧道数值模型

2.1 计算模型

采用MIDAS GTS/NX 建立三维高铁岩溶隧道数值模型[16],具体尺寸为110 m×10 m×160 m(长×宽×高),数值模型中,计算范围为左右边界从隧道边墙向外延伸48 m,底部从隧道仰拱向下延伸48 m,上部取至地表(隧道埋深为100 m),模型纵向取10 m,即按2 个环向排水盲管间距长度考虑;根据隧道防排水设计参数,建立隧道防排水精细化数值模型。 数值模型中,隧道防水板、无纺布、排水管及中心排水沟均采用实体单元[17-18]。 围岩采用Mohr-Coulomb 本构模型,衬砌、排水管、防水板及无纺布等均采用弹性本构模型,整体模型中单元数为190 672 个,整体模型及防排水结构局部模型见图4[19]。

2.2 边界条件

数值模型仅考虑考虑自重的荷载,在边界条件上需要分别设定位移边界和渗流边界,模型位移边界条件为模型四周及底部施加法向位移约束,模型渗流边界条件如下。

(1)初始水头在短时保持稳定,随着时间的增加,地下水位随着隧道排水而降低。

(2)模型左右两侧及前后边界为稳定边界,各点水头为等水头,H=h。

(3)底面为不透水边界,法向流速为0。

(4)模型Y=0 m 和Y=10 m 处的中心排水沟截面压力水头设定为0。

2.3 计算参数

隧道内轮廓采用时速350 km 高速铁路双线隧道标准内轮廓。 初期支护采用C25 喷射混凝土,厚12 cm;二次衬砌采用C35 钢筋混凝土,厚40 cm。 防水板和无纺布的厚度均为3 mm,排水管直径为5 cm,中心排水沟尺寸为84.4 cm×60 cm(长×宽)。

本隧道地层岩溶弱发育,根据相关规范[20-22]确定数值模型中围岩、初期支护、二次衬砌及防排水结构的渗透系数,取值见表1。

表1 数值模型地层及结构渗透系数

3 岩溶隧道衬砌水压规律型

依托工程隧道埋深100 m,由于该区段地层岩溶弱发育,加之隧道始终处于排水状态。 因此,当地表降雨补给大于隧道排水量时,隧道衬砌累积水头高度小于隧道埋深。 基于上述考虑,在研究隧道排水状态下衬砌水压分布规律时,设计衬砌拱顶水头高度为10,15,20,30 m,采用数值模拟方法分析4 种工况下隧道衬砌背后水压力的分布规律。

隧道排水状态下,2 个环向排水盲管之间的截面相比环向排水管截面水要高,为此,取2 个环向排水盲管之间的截面为研究断面,同时在隧道衬砌拱顶、拱腰、边墙、墙脚及仰拱各设置1 条测线,研究断面及水压测线在数值模型中的位置关系(见图5)。

图5 隧道衬砌纵向、环向水压测线设置

隧道拱顶上部总水头高度为10,15,20,30 m 时,隧道衬砌纵向水压测线监测结果见图6。

图6 各水头作用下隧道衬砌纵向水压规律(单位:kPa)

由图6 可知,在考虑隧道排水情况下,防水板、无纺布是半包结构,仰拱底水压值相对较大,排水管设置区域水压值较小(近乎为0)。 隧道拱顶、边墙、拱腰、拱脚部位的水压力沿纵向变化极其明显,在环向排水管设置的断面(2.5 m 和7.5 m)水压力趋近于0,而在两环排水管中间的位置(5 m)水压力达到峰值。

隧道拱顶上部总水头高度为10,15,20,30 m 时,隧道衬砌环向水压测线监测结果见图7。

隧道上部铺设有防水板和无纺布以及排水管,无纺布具有较强的透水性,在隧道二次衬砌和初期支护之间形成了一层导水层,隧道衬砌背后的水则可以通过无纺布导入,流向环向排水管、纵向排水管、横向排水管,再从中心排水沟流出,隧道衬砌上的水压力则随之降低。 由图7 可知,当隧道衬砌拱顶初始水头分别为10,15,20,30 m 时,在正常排水条件下,相比不排水状态,隧道衬砌拱顶的水压折减率分别为100%、99%、97%和93%,隧道衬砌仰拱中心的水压折减率分别为74%、76%、76%和76%。 当隧道衬砌拱顶初始水头分别为10,15,20,30 m 时,在正常排水状态下,隧道仰拱中心的最终水压分别为57,65,75,105 kPa。

上述计算结果表明,对于岩溶弱发育地层隧道,当地表水大量补给时,采用通用参考图排水设计方案可以及时排出拱顶、边墙及拱脚处的水,但隧道衬砌仰拱的水不能及时排出。

隧道上部铺设有防水板和无纺布以及排水管,无纺布具有较强的透水性,在隧道二次衬砌和初期支护之间形成了一层导水层,隧道衬砌背后的水则可以通过无纺布导入,流向环向排水管、纵向排水管、横向排水管,再从中心排水沟流出,隧道衬砌上的水压力则随之降低。 由图7 可知,当隧道衬砌拱顶初始水头分别为10,15,20,30 m 时,在正常排水条件下,相比不排水状态,隧道衬砌拱顶的水压折减率分别为100%、99%、97%和93%,隧道衬砌仰拱中心的水压折减率分别为74%、76%、76%和76%。 当隧道衬砌拱顶初始水头分别为10,15,20,30 m 时,在正常排水状态下,隧道仰拱中心的最终水压分别为57,65,75,105 kPa。 上述计算结果表明,对于岩溶弱发育地层隧道,当地表水大量补给时,采用通用参考图排水设计方案可以及时排出拱顶、边墙及拱脚处的水,但隧道衬砌仰拱的水不能及时排出。

4 岩溶隧道衬砌安全性分析

第3 节的分析表明,排水状态下,衬砌仰拱仍然存在水压。 为了进一步分析隧道衬砌背后水压力对衬砌结构的影响,建立荷载结构模型,将提取出来的水压力和围岩荷载作为外荷载施加至隧道衬砌上,对隧道衬砌结构的安全性展开研究。

根据《铁路隧道设计规范》确定Ⅳ级围岩荷载,然后将第3 节计算得出来的水压力和围岩荷载共同施加至隧道衬砌结构上,以分析衬砌结构的安全性。 在评价隧道衬砌的安全性时,安全系数评价标准见表2[23]。

表2 混凝土结构的强度安全系数____________

隧道拱顶上部总水头高度为10,15,20,30 m,隧道正常排水的情况下,衬砌环向监测断面的轴力、弯矩分布见图8、图9。 提取环向监测断面各典型截面的内力轴力、弯矩值,按照规范要求计算安全系数绘制安全系数包络图(见图10)。

图8 各水头作用下衬砌轴力(单位:kN)

图9 各水头作用下衬砌弯矩(单位:kN·m)

图10 各水头作用下衬砌安全系数包络图

由图10 可知,当隧道衬砌拱顶初始水头分别为10 m 和15 m 时,隧道拱顶、边墙、拱腰、拱脚及仰拱的安全系数均满足规范要求;但当隧道衬砌拱顶初始水头分别为20 m 和30 m 时,隧道拱脚、仰拱的安全系数不满足规范要求。

5 结论

采用数值模拟方法对常规隧道防排水系统条件下的岩溶隧道衬砌水压分布规律及结构安全性进行研究,主要结论如下。

(1)在正常排水状态下,隧道拱顶的水压折减率依次为100%(10 m 水头)、99%(15 m 水头)、97%(20 m 水头)、93%(30 m 水头);隧道仰拱的水压折减率依次为74%(10 m 水头)、76%(15 m 水头)、76%(20 m 水头)、76%(30 m 水头)。 该排水方案对隧道拱顶的水压折减效果十分显著,但仰拱的水压折减率不超过80%。

(2)在水压和围岩压力共同作用下,初始水头高度小于15 m 时,衬砌结构能够满足安全要求;当初始水位超过20 m 时,仰拱处水压较大,衬砌结构不能满足安全性要求。

(3)当传统隧道防排水方案用于岩溶弱发育地层隧道时,需要对仰拱的排水方案进行改进或优化,并降低衬砌仰拱水压,以提高隧道衬砌仰拱结构的安全性。